太空授课原理

2024-05-03

太空授课原理（共10篇）

篇1：太空授课原理

解读神十航天员太空授课物理原理

姓名：钟宇学号：20120511xxx 专业：物理学

2013年6月20日上午举行的太空授课活动中，我国第一位“太空教师”王亚平通过质量测量、单摆运动、陀螺运动、水膜和水球等5个物理实验，展示了失重环境下物体运动特性、液体表面张力特性等物理现象，并通过视频通话与地面课堂师生进行互动交流。

这些美妙的实验反映了什么样的物理原理?天地物理特性的差别给航天飞行带来什么影响，在航天活动中有什么样的应用?清华大学航天学院副教授王兆魁对这些问题进行了解读。

图表：天宫一号太空授课：太空质量测量

实验一：质量测量——牛顿第二定律

实验过程：王亚平首先展示两支完全一样的弹簧，它们分别固定了两个不同质量的物体。画面显示，两个弹簧平衡在同一位置，无法测量出物体的质量差别。随后，镜头转向天宫一号中用于测量质量的“质量测量仪”。聂海胜把自己固定在支架一端，王亚平轻轻拉开支架，一放手，支架在弹簧的作用下回复原位。LED屏显示出聂海胜的质量：74公斤。王亚平解释说，质量测量仪通过弹簧产生力并测出力的加速度，然后根据牛顿第二定律就可以算出质量。

解读：这个实验生动地说明了牛顿第二定律的基本原理——“物体加速度的大小跟物体受到的作用力成正比，跟物体的质量成反比。”这是一个在一切惯性空间内普遍适用的基本物理定律，不因物体的引力环境、运动速度而改变，因此在太空和地面都是成立的。

在地球表面，由于受到地球引力的作用，物体的质量体现为重量。物体悬挂在弹簧秤上时，弹簧的拉力和物体受到的地球引力达到平衡，因此可以从弹簧秤的读数中得到物体的重量。而在绕地球高速运动的飞船里，地球引力被飞船的离心力所平衡，飞船内部不再有地球引力的影响，也就没有了重量的概念，因此弹簧秤就没有读数。

天宫一号里的“质量测量仪”直接运用了牛顿第二定律，利用作用力和物体加速度的关系确定物体的质量。这个原理在航天活动中有着广泛的应用。例如，航天器的燃料消耗一段时间后，总质量会发生变化，可能影响轨道控制的精确度。这时就可以开启推力器并同时测量航天器的加速度，从而计算出航天器的质量。

图表：天宫一号太空授课：太空单摆运动

实验二：单摆运动——太空失重

实验过程：T形支架上，细绳拴着一颗小钢球。这是物理课上常见的实验装置——单摆。王亚平把小球拉升到一定高度后放手，小球并没有像在地面那样往复摆动，而是悬停在了半空中。王亚平用手指轻推小球，小球开始绕着T形支架的轴心做圆周运动。

解读：实验中小球没有来回摆动、而是悬浮或者做圆周运动，是太空中的失重现象导致的。在地面上，一旦松手，在地球重力的作用下，小球会向下运动，而由于小球被细绳连接在支架上，它就会被细绳牵着来回摆动。但太空中没有重力作用，小球只会在原地悬浮。同样因为重力环境的不同，在太空中轻轻推小球一下，小球会在细绳的牵引下做圆周运动。而在地面上，需要给小球足够大的初速度，才能使它克服地球重力的阻碍，实现圆周运动。

失重是空间与地面环境最重要的差别之一。它虽然给飞行生活带来很多有趣的体验，但也会妨碍航天员在舱内的操作，同时对航天员的心血管系统和肌肉、骨骼系统带来不利影响。针对这个问题，航天医学专家研究出很多医学防护措施，航天员也会在航天器中通过主动锻炼来增强心血管和肌肉功能。

图表：天宫一号太空授课：太空陀螺运动

实验三：陀螺运动——角动量守恒

实验过程：王亚平取出一个红黄相间的陀螺悬放在空中。用手轻推陀螺顶部，陀螺翻滚着飞向远处。紧接着，她又取出一个一模一样的陀螺，让它旋转起来，悬浮在半空中，再用手轻轻一推，旋转的陀螺不再翻滚，而是保持着固定的轴向向前飞去。

解读：转动的陀螺具有定轴性，定轴性遵守角动量守恒原理——在没有外力矩作用的情况下，物体的角动量会保持恒定。航天员瞬时施加的干扰力不能产生持续的力矩，由于角动量守恒，旋转陀螺的旋转轴就不会发生很大改变。而这一点在地面上之所以很难实现，并不是因为角动量守恒定理不成立，而是因为陀螺与地面摩擦产生的干扰力矩等因素改变了陀螺的角动量，使其旋转速度逐渐降低，不能很好地保持旋转方向。

利用角动量守恒定律，我们可以实现卫星的定向控制。基于陀螺指向稳定性特点制成的陀螺仪，还被广泛用于不同领域各种平台的稳定控制。雪铁龙C6轿车上就安装了测量车身纵向和横向摆动的陀螺传感器，可以实现车身稳定度的控制。

图表：天宫一号太空授课：太空制作水膜

图表：天宫一号太空授课：太空制作水球

实验四五：制作水膜、水球——液体表面张力

实验过程：王亚平把一个金属圈插入饮用水袋中，慢慢抽出金属圈，形成了一个水膜。晃动金属圈，水膜也没有破裂;往水膜表面贴上一片画有中国结图案的塑料片，水膜依然完好。她接着做了第二个水膜，用饮水袋慢慢往水膜上注水，水膜很快变成一个亮晶晶的大水球。再向水球内注入空气，水球内形成两个球形气泡，既没有被挤出水球，也没有融合到一起。最后，王亚平注入红色液体，红色慢慢扩散开来，把水球变成了一枚美丽的“红灯笼”。

解读：这两个实验均展示了液体表面张力的作用。受到内部分子的吸引，液体表面分子有被拉入内部的趋势，导致表面就像一张绷紧的橡皮膜，这种促使液体表面收缩的绷紧的力，就是表面张力。

表面张力现象在日常生活中非常普遍，比如草叶上的露珠、空气中吹出的肥皂泡等。地球引力使得肥皂泡上方变薄破裂而无法长久存在，而太空中的液体处于失重状态，表面张力不仅大显身手，还决定了液体表面的形状。水膜实验中，表面张力使水膜像橡皮膜一样搭在金属环里，并且比地面上形成的水膜面积更大、存在时间更长。同样，由于没有重力影响，航天员向水膜上不断注入水时，这些水就能够均匀分布在水膜周围，逐渐形成水球。

液体表面张力在航天活动中有重要应用。失重环境下，航天器推进剂贮箱中的液体燃料界面和气体界面不再是稳定的，可能产生液体迁移、气液混合等现象，导致推进剂无法正常供应。因此，科学家们制造了表面张力贮箱，利用表面张力推动液体推进剂流动，为动力系统提供满足要求的推进剂。

篇2：太空授课原理

实验一：质量测量——牛顿第二定律

实验过程：王亚平首先展示两支完全一样的弹簧，它们分别固定了两个不同质量的物体。画面显示，两个弹簧平衡在同一位置，无法测量出物体的质量差别。随后，镜头转向天宫一号中用于测量质量的“质量测量仪”。聂海胜把自己固定在支架一端，王亚平轻轻拉开支架，一放手，支架在弹簧的作用下回复原位。ＬＥＤ屏显示出聂海胜的质量：７４公斤。王亚平解释说，质量测量仪通过弹簧产生力并测出力的加速度，然后根据牛顿第二定律就可以算出质量。

专家解读：这个实验生动地说明了牛顿第二定律的基本原理——“物体加速度的大小跟物体受到的作用力成正比，跟物体的质量成反比。”这是一个在一切惯性空间内普遍适用的基本物理定律，不因物体的引力环境、运动速度而改变，因此在太空和地面都是成立的。

在地球表面，由于受到地球引力的作用，物体的质量体现为重量。物体悬挂在弹簧秤上时，弹簧的拉力和物体受到的地球引力达到平衡，因此可以从弹簧秤的读数中得到物体的重量。而在绕地球高速运动的飞船里，地球引力被飞 1

船的离心力所平衡，飞船内部不再有地球引力的影响，也就没有了重量的概念，因此弹簧秤就没有读数。

实验二：单摆运动——太空失重

实验过程：Ｔ形支架上，细绳拴着一颗小钢球。这是物理课上常见的实验装置——单摆。王亚平把小球拉升到一定高度后放手，小球并没有像在地面那样往复摆动，而是悬停在了半空中。王亚平用手指轻推小球，小球开始绕着Ｔ形支架的轴心做圆周运动。

专家解读：实验中小球没有来回摆动、而是悬浮或者做圆周运动，是太空中的失重现象导致的。在地面上，一旦松手，在地球重力的作用下，小球会向下运动，而由于小球被细绳连接在支架上，它就会被细绳牵着来回摆动。但太空中没有重力作用，小球只会在原地悬浮。同样因为重力环境的不同，在太空中轻轻推小球一下，小球会在细绳的牵引下做圆周运动。而在地面上，需要给小球足够大的初速度，才能使它克服地球重力的阻碍，实现圆周运动。

失重是空间与地面环境最重要的差别之一。它虽然给飞行生活带来很多有趣的体验，但也会妨碍航天员在舱内的操作，同时对航天员的心血管系统和肌肉、骨骼系统带来不利影响。针对这个问题，航天医学专家研究出很多医学防护措施，航天员也会在航天器中通过主动锻炼来增强心血管和肌肉功能。实验三：陀螺运动——角动量守恒

专家解读：转动的陀螺具有定轴性，定轴性遵守角动量守恒原理——在没有外力矩作用的情况下，物体的角动量会保持恒定。航天员瞬时施加的干扰力不能产生持续的力矩，由于角动量守恒，旋转陀螺的旋转轴就不会发生很大改变。而这一点在地面上之所以很难实现，并不是因为角动量守恒定理不成立，而是因为陀螺与地面摩擦产生的干扰力矩等因素改变了陀螺的角动量，使其旋转速度逐渐降低，不能很好地保持旋转方向。

利用角动量守恒定律，我们可以实现卫星的定向控制。基于陀螺指向稳定性特点制成的陀螺仪，还被广泛用于不同领域各种平台的稳定控制。雪铁龙Ｃ６轿车上就安装了测量车身纵向和横向摆动的陀螺传感器，可以实现车身稳定度的控制。

实验四五：制作水膜、水球——液体表面张力

实验过程：王亚平把一个金属圈插入饮用水袋中，慢慢抽出金属圈，形成了一个水膜。晃动金属圈，水膜也没有破裂；往水膜表面贴上一片画有中国结图案的塑料片，水膜依然完好。她接着做了第二个水膜，用饮水袋慢慢往水膜上注水，水膜很快变成一个亮晶晶的大水球。再向水球内注入空气，水球内形成两个球形气泡，既没有被挤出水球，也没有融合到一起。最后，王亚平注入红色液体，红色慢慢扩散开来，把水球变成了一枚美丽的“红灯笼”。

专家解读：这两个实验均展示了液体表面张力的作用。受到内部分子的吸引，液体表面分子有被拉入内部的趋势，导致表面就像一张绷紧的橡皮膜，这种促使液体表面收缩的绷紧的力，就是表面张力。

篇3：由“太空授课”想到的

当航天员王亚平在天宫一号内通过加水将薄薄的水膜变成一个亮晶晶的大水球时, 她俨然已化身为一名超级魔法师, 带领全体师生走进神奇而美妙的太空, 身临其境地感受着太空的魅力, 并留给他们无限的想象和无穷的回味。与地面师生的“天地对话”更是增加了学生们的现场参与感, 也让更多人见识到现代远程互动课堂的魅力。

毋庸置疑, “太空授课”开阔了学生的眼界, 激发了他们对学习科技知识, 探究未知宇宙的热情, 点燃了孩子们的科学梦。在其成功的背后, 航天科技的发达和数据传输技术的稳定、快捷提供了有力的保障。据了解, 此次“太空授课”通过天链数据“中转站”传送双向实时授课画面, 并实现天地之间的视频提问和回答。这对信息技术教学应用的有效性是多么有力的诠释。

“太空授课”的成功也值得我们反思:我国基础教育信息化搞了这么多年, 为何效果并不显著?为何只能作为辅助教学的手段和工具而为教师的教学“锦上添花”, 更有时被认为是“画蛇添足”, 甚至是“帮倒忙”?

关键在于我们之前过于迷信信息技术的多媒体表达功能, 囿于传统教育模式, 只着力于帮助教师更好地呈现教学内容, 最终往往把“人灌”变成了“机灌”。如果我们的教学理念不从信息技术支持的下“教”向信息技术支持下的“学”转变, 如果我们只见技术不见人, 尤其是长期忽视教学的主角——学生, 信息技术这一先进生产力, 其变革教与学生产关系的作用将永远得不到发挥, 信息技术在教育中的地位也将永远只限于辅助教学的手段或工具。

正如山东省淄博市电化教育馆馆长李光良在文中所言:教育信息化, 根本不在于设备和资源量的多少, 也不在于速度和效率, 而在于对传统教育发展瓶颈突破的程度。这需要我们敢于在教育的难点问题上发挥信息技术“先进生产力”的变革作用, 所以我们策划了这期选题《破解教育难题的战略选择 (3) ——现代信息技术助力提质“减负”》, 从引入信息技术的全新视角, 尝试破解长期困扰中国教育的“减负”难题。

当然, 我们也欣喜地看到, 已经有许多教育工作者认识到了这一点, 并开展了卓有成效的创新实践。这从本期“新思维”、“教与学”和“2013′征文选登”等栏目的文章中已有鲜明的体现, 我们将继续关注和鼓励这些宝贵的理念与实践, 引领教与学模式的变革。5月底在北京大学成功召开的GCCCE2013大会, 积极倡导“知行合一融会创新”的理念, 这一理念与本刊的一贯宗旨是一致的。本期, 我们选登了两篇GCCCE大会优秀获奖论文, 展现学术领域对于计算机教育应用的理论与实践创新。

篇4：太空授课解析

[图1]

为了帮助同学们更好地理解本次太空授课中五个物理实验的原理，本文结合中学物理知识，分别就实验的装置、现象、原理、拓展及应用等进行解析.

1.质量测量

回放聂海胜盘起腿，玩起了“悬空打坐”，王亚平用手指轻轻一推，聂海胜摇摇晃晃向远处飘去. 这一幕在告诉我们，这里是天宫一号，处于失重环境条件下. 王亚平首先展示两支完全一样的弹簧，它们分别固定了两个不同质量的物体. 但两个弹簧平衡在同一位置，这说明在失重环境中无法用弹簧秤来测量出物体的质量（注：准确的是在失重环境中无法用弹簧秤来测量出物体的重力）. 随后镜头转向天宫一号中用于测量质量的“质量测量仪”. 聂海胜把自己固定在支架一端（如图2所示），王亚平轻轻拉开支架，一放手，支架在弹簧的作用下回复原位. LED屏显示出聂海胜的质量：74kg. [图2]

原理天宫中的“质量测量仪”原理是牛顿第二定律：物体受到的力等于它的质量与加速度的乘积，即[F=ma]. 实验中设计了用传感器获得物体运动到某位置的加速度和该位置弹簧上的弹力大小，通过DIS系统由牛顿第二定律就可以算出身体的质量，并将结果在LED屏显示出来. 这个实验生动地说明了牛顿第二定律的基本原理：物体加速度的大小跟物体受到的作用力成正比，跟物体的质量成反比. 这是一个在一切惯性空间内普遍适用的基本物理定律，不因物体的引力环境、运动速度而改变，这一定律在太空和地面都是成立的.

应用这个原理在航天活动中有着广泛的应用. 例如，航天器的燃料消耗一段时间后，总质量会发生变化，可能影响轨道控制的精确度. 这时就可以开启推力器并同时测量航天器的加速度，从而计算出航天器的质量.

拓展天宫一号在绕地球做圆周运动，其内物体所受到的地球的万有引力（即此处物体的重力）用于物体随天宫一号绕地球圆周运动所需的向心力，虽然此时物体的重力并不为零，但物体对支持物的压力或对悬挂物的拉力均为零，因此物体处于完全失重状态，这时与重力有关的一些物理现象均会消失. 如在此环境下不能用天平测物理质量，不能用水银气压计测飞船内气体压强，溶液不会分层等.

例1 从事太空研究的宇航员需长时间在太空的微重力条件下工作、生活，这对适应了地球表面生活的人，将产生很多不良影响，例如容易患骨质疏松等疾病. 因此宇航员在天宫一号内应积极进行体育锻炼. 下列器材适合宇航员锻炼的器材是（）

A.哑铃 B.弹簧拉力器

C.单杠 D.跑步机

解析由于天宫一号在绕地球做圆周运动，处于完全失重状态，这时与重力有关的一些物理现象均会消失. 本题正确选项为B.

2. 单摆运动

回放在T形支架上用细绳拴着一颗小钢球. 这是单摆实验装置. 王亚平把小球拉升到一定高度后轻轻放手，小球并没有像在地面那样往复摆动，而是悬停在了半空中. 王亚平用手指轻推小球，小球开始绕着T形支架的轴心做圆周运动.

原理这是太空中的失重现象导致的. 在地面上，一旦松手，在重力的作用下，小球会被细绳牵着来回摆动. 但在太空中与重力有关的现象会消失，小球只会在原地悬浮. 如图3所示，设小球质量为[m]，细线长即小球圆周运动的半径为[R]. 在地面上，小球在圆的最高点受重力[mg]与细线拉力[T]，小球速度大小为[v]，有[mg+T=mv2R]，且[T≥0]，則[v≥Rg.]

[图3]

在圆的最低点给小球的初速大小为[v0]，由机械能守恒定律，有[12mv2+mg2R=12mv20]，可得[v0≥5Rg]，即在最低点需要给小球足够大的初速度，才能使小球克服地球重力的影响，实现在竖直平面内的圆周运动. 但在太空中的失重环境下，只需轻轻推小球一下，即给小球一个大小不等于零的初速度，小球就会在细绳的拉力提供向心力的条件下在竖直平面内做圆周运动.

应用在地面上能正常使用的摆钟，其原理利用了单摆的等时性. 但在太空失重的环境下摆钟不能像单摆一样地正常来回摆动，因此在太空中不能使用摆钟计时.

拓展当运动的物体存在竖直向下的加速度，且加速度大小等于重力加速度大小[g]时，物体也处于完全失重状态.

例2 如图4所示，在一只木箱的顶板上用细线悬挂一个摆球，当木箱静止时摆球做单摆运动. 在摆球做单摆运动的同时突然将木箱向右上方斜抛出去，不考虑空气阻力，则以下说法可能的是（）

图4

A.在木箱向上运动的过程中，摆球相对木箱仍是单摆运动

B.在木箱向上运动的过程中，摆球相对木箱是静止的

C.在木箱向下运动的过程中，摆球相对木箱做匀速圆周运动

D.在木箱向下运动的过程中，摆球相对木箱是静止的

解析不考虑空气阻力时，木箱做斜抛运动，无论木箱是向上运动还是向下运动，都存在竖直向下的加速度[g]，木箱及内物体均处于完全失重状态. 当摆球摆到最高点时（此时摆球速度为零）让木箱做斜抛运动，则摆球相对木箱是静止的，选项B、D正确；当摆球不是在最高点时（此时摆球速度不为零）让木箱做斜抛运动，则摆球相对木箱做匀速圆周运动，选项C正确；故本题正确选项为B、C、D.

3. 陀螺运动

回放王亚平取出一个红黄相间的陀螺悬放在空中，用手轻推陀螺顶部，陀螺翻滚着飞向远处. 紧接着，她又取出一个一模一样的陀螺，让它旋转起来，悬浮在半空中，再用手轻轻一推，旋转的陀螺不再翻滚，而是保持着固定的轴向向前飞去.

原理转动的陀螺遵守角动量守恒原理：在没有外力矩作用的情况下，物体的角动量会保持恒定. 由于角动量守恒，旋转陀螺的旋转轴就不会发生很大改变. 而这一点在地面上之所以很难实现，并不是因为角动量守恒定理不成立，而是因为陀螺与地面摩擦产生的干扰力矩等因素改变了陀螺的角动量，不能很好地保持旋转方向.

应用高速旋转陀螺的定轴特性在航天领域用途广泛. 在天宫一号目标飞行器上，就装有各式各样的陀螺定向仪，正是有了它们，才能精准地测量航天器的飞行姿态. 当然陀螺仪还有很多应用，比如利用陀螺仪的“定轴性”，可以用来测量运动物体的姿态、稳定运动物体的运动方向，测量其方位等. 因此在姿态仪表、航向仪表、导航系统、飞行控制系统中都有三自由度陀螺. 它广泛地应用于航空、航天、航海等领域. 陀螺仪器还能够为地面设施、矿山隧道、地下铁路、石油钻探以及导弹发射井等提供准确的方位基准. 有些小轿车上就安装了测量车身纵向和横向摆动的陀螺传感器，可以实现对车身稳定度的控制.

拓展自转（Rotation）是物体绕自身轴转动的现象，当自转物体的自转轴又绕着另一轴旋转的现象称为进动（Precession），又称为旋进. 进动的产生是由于转动物体受到垂直于其动量矩的外力矩作用. 常见的例子是陀螺. 进动是宇宙中天体物质或微观粒子绕某一中心公转运动而表现出来的结果，太阳系绕银河系中心运动，所以太阳相对银河系中心有进动；太阳系星系绕太阳运动，所以行星相对太阳有进动；卫星绕行星运动，所以卫星相对行星有进动；如水星的轨道偏离正圆程度很大，近日点距太阳仅四千六百万千米，远日点却有7千万千米，在轨道的近日点它以十分缓慢的速度按岁差围绕太阳向前运行，称为水星进动. 地球自转的进动引起岁差. 同样，微观粒子世界的电子绕电子核运动，同样有进动. 原子磁矩绕外磁场方向的转动称为原子进动.

[图5]

进动可使物体保持其状态的稳定性. 如自行车在不运动时很难保持其稳定的竖直状态，但在运动时由于车轮的旋转产生一种进动，则容易保持其稳定的竖直状态.

例3 如图5所示，芭蕾舞蹈演员在旋转时，除脚尖着地外，两手总是靠近身体. 这么做是为了 .

解析减小阻力矩. 演员要保持较长时间的旋转，应满足其角动量守恒，即要求合力矩为零. 脚尖着地是为了减小来自地面的阻力矩；两手靠近身体是为了减小来自空气的阻力矩.

4. 制作水膜、水球

回放王亚平拿起一个航天员饮用水袋，打开止水夹，水并没有倾泻而出. 轻挤水袋，在饮水管端口形成了一颗晶莹剔透的水珠，略微抖动水袋，水珠便悬浮在半空中. 此时她深有感触地笑着说：如果诗仙李白在天宫里生活，大概就写不出“飞流直下三千尺”的名句了. 接着王亚平把一个金属圈插入饮用水袋中，慢慢抽出金属圈，形成了一个水膜. 晃动金属圈，水膜也没有破裂；往水膜表面贴上一片画有中国结图案的塑料片，水膜依然完好. 她接着做了第二个水膜，用饮水袋慢慢往水膜上注水，水膜很快变成一个亮晶晶的大水球. 再向水球内注入空气，水球内形成两个球形气泡，既没有被挤出水球，也没有融合到一起. 最后她向水球内注入一种红色液体，红色慢慢扩散开来，把水球变成了一枚美丽的“红灯笼”（如图6所示）.

[图6]

原理这两个实验均展示了液体表面张力的作用. 液体的表面张力由液体内分子的吸引力产生的. 液体表面分子有被拉入内部的趋势，导致表面就像一张绷紧的橡皮膜，这种促使液体表面收缩的绷紧的力，就是液体的表面张力. 在表面张力的作用下，液体有收缩到表面积最小的趋势. 数学上可以证明：在体积一定时，球形物体的表面积最小. 因此我们看到了一个晶莹剔透的小球. 在水球内再注入一种红色液体，由于分子的扩散作用，原来透明的水球最终变成了一个红色的球.

应用液体表面张力在航天活动中有重要应用. 失重环境下，航天器推进剂贮箱中的液体燃料界面和气体界面不再是稳定的，可能产生液体迁移、气液混合等现象，导致推进剂无法正常供应. 因此，科学家们制造了表面张力貯箱，利用表面张力推动液体推进剂流动，为动力系统提供满足要求的推进剂.

拓展表面张力现象在日常生活中非常普遍，比如草叶上的露珠、空气中吹出的肥皂泡等. 地球引力使得肥皂泡上方变薄破裂而无法长久存在，而太空中的液体处于失重状态，表面张力不仅大显身手，还决定了液体表面的形状.

例4 已知肥皂泡膜内外气体压强差为[ΔP=4αR]，其中[α]为液体表面张力系数，[R]为膜的曲率半径. 如图7所示，当用一导管连接一大一小的两肥皂泡时，看到的现象是什么？

[图7]

解析由于肥皂泡膜内外气体压强差为[ΔP=4αR]，液体表面张力系数[α]只与液体有关. 在外部气压相同的情况下，曲率半径[R]较大的肥皂泡膜内气体压强较小，曲率半径[R]较小的肥皂泡膜内气体压强较大；当用一导管连接一大一小的两肥皂泡时，小泡内气体就会沿导管流向大泡内，这样使得大泡曲率半径进一步变大，内气压就进一步减小. 当小泡减小到以导管横截面为直径的半球后，再进一步减小时其曲率半径反而会增大. 因此最终当小泡与大泡的曲率半径相等时，内部气压相等达到平衡（如图8所示）.

图8

太空寄语当奇妙的太空实验结束后，航天员开始回答同学们提出的五花八门的问题：天宫中的水从何而来？能否看到太空垃圾？天宫一号是否有应对太空垃圾的防护措施？在太空中采取哪些措施对抗失重对人体的不利影响？在天上看到的窗外景色与地面有什么不同？星星会闪烁吗？能看到UFO吗？…… 三位航天员对同学们提出的问题一一做出了解答. 最后航天员们在距地面340km的天宫一号内，为同学们送来了太空寄语——

聂海胜说：“愿同学们刻苦学习，增长知识，为中国梦添彩！”

张晓光说：“深邃太空，奥秘无穷，探索无止境，让我们共同努力！”

篇5：太空授课情况

时间：2013年6月20日10点地点：各班教室

内容：我国载人航天史上的首次太空授课今天上午10时04分至10时55分开课，央视进行全程直播。根据教育部昨天下午发出通知，要求各地教育部门和中学妥善调课，组织学生收看神舟十号航天员的太空授课活动。我校组织七八年级学生及所有教师利用班班通办公室电脑观看了实况.具体内容如下：

1、老师学生进行“天地对话”本次太空授课将持续45分钟，课程内容为展示并讲解太空中的失重现象等。此次授课通过天链数据“中转站”传送双向实时授课画面，实现了天地之间的视频提问和回答。

2、太空授课将成全民科普本次听课对象为所有初、高中学生，授课的内容为太空环境下的科学实验。

3、美“太空第一课”等了22年

2007年8月14日，美国女航天员芭芭拉·摩根在国际空间站里完成了人类首次太空授课。从提出构想到完成授课，美国航天人等待了22年。航天专家、《国际太空》杂志社副主编庞之浩告诉记者，美国航天局关于太空授课的构想最早出现在1985年。那一年，小学教师芭芭拉·摩根和另外一名女教师克丽斯塔·麦考利夫被美国宇航局“教师在太空”计划选中。第二年，摩根作为麦考利夫的替补，在地面上仰望同伴搭乘“挑战者”号航天飞机升空，却不幸目睹了“挑战者”号升空后不久爆炸的悲剧一幕。

篇6：太空授课内容

在实验开始，神舟十号指令长聂海胜首先做了一个“太空打坐”

原因：由于没有重力，所以，只需轻轻地用力就可以使人体处于漂浮状态。

实验一：质量测量

在失重的太空，地面的测重不再奏效。“那么，航天员想知道自己是胖了还是瘦了？怎么称重呢？”太空教师王亚平问。

在天宫一号，有一样专门的“质量测量仪”。“太空授课”的助教聂海胜将自己固定在支架一端，王亚平将连接运动机构的弹簧拉到指定位置。松手后，拉力使弹簧回到初始位置。这样，就测出了聂海胜的质量——74千克。

揭秘：牛顿第二定律

对这个问题，王亚平就有解释，“其实，就是牛顿第二定律F=ma。”也就是，物体受到的力=质量×加速度。如果知道力和加速度，就可算出质量，“弹簧凸轮机构，产生恒定的力。也就是，刚才将助教拉回至初始位置的力。此外，还设计一个光栅测速系统，可测出身体运动的加速度。”

特级教师骆兴高：用光栅测速装置测量出支架复位的速度v和时间t，计算出加速度（a=v/t），就能够计算出物体的质量（m=F/a）。牛顿第二定律是一个在一切惯性空间内普遍适用的基本物理定律，不因物体的引力环境、运动速度而改变，因此在太空和地面都是成立的。实验二：单摆运动

T形支架上，细绳拴着一颗小球。这是物理课上常见的实验装置——单摆。王亚平将小球拉升至一定高度后放掉，小球像着了魔似的，用很慢的速度摆动。随后，王亚平用手指轻推小球，小球开始绕着支架的轴心不停地做圆周运动。

揭秘：太空失重

浙大航空航天学院专家：在地面，单摆的运动周期与摆的长度、重力和加速有关。但在失重的状态，没有了回复力，钢球就静止在原始位置。这时，细绳并没有给球拉力。

手推小球，相当于给了小球一个初始速度，同时细绳又给小球提供了拉力，细绳拉力平衡离心力，小球便绕着支架的轴心做圆周运动。如果没有细绳的拉力，小球就做匀速直线运动。而在地面，空气的阻力使物体的速度越来越慢，重力则使物体向下掉。

实验三：陀螺运动

王亚平取出一个陀螺，用手轻推，陀螺竟然翻滚着向前，行进路线变幻莫测。随后，她又取出一个陀螺，抽动它后，再用手轻推，陀螺沿着固定的轴向向前飞去。

揭密：角动量守恒

特级教师骆兴高：转动的陀螺具有定轴性。何为“定轴性”？就是当陀螺转子以高速旋转时，在没有任何外力矩作用在陀螺仪上时，陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变的特性，也称为稳定性。转子的转动惯量愈大，稳定性愈好；转子角速度愈大，稳定性愈好。定轴性遵守角动量守恒定律——在没有外力矩作用的情况下，物体的角动量会保持恒定。航天员瞬时施加的干扰力不能产生持续的力矩，由于角动量守恒，高速旋转陀螺的旋转轴就不会发生很大改变。而这一点在地面上之所以很难实现，并不是因为角动量守恒定理不成立，而是因为陀螺与地面摩擦产生的干扰力矩等因素改变了陀螺的角动量，使其旋转速度逐渐降低，不能很好地保持旋转方向。

实验四、五：制作水膜、水球

太空授课模拟图(5张)这是同学们最感兴趣，也是最神奇的实验。

一个金属圈插入饮用水袋并抽出后，形成了一个水膜。这在地面，难以实现，因为重力会将水膜四分五裂。那么，这个水膜结实吗？轻晃金属圈，水膜并未破裂，而是甩出了一个小水

滴。再往水膜表面贴上一片画有中国结图案的塑料片，水膜依然完好。

更奇迹的时刻：在第二个水膜上，用饮水袋不断注水，水膜很快长成一个晶莹剔透的大水球。水球内有连串的气泡，用针筒取出，水球却不受任何破坏。

最后，王亚平注入红色液体，红色慢慢扩散，水球变成了一枚美丽的“红宝石”。揭秘：液体表面张力

浙大航空航天学院的专家：液体表面层内分子间存在着的相互吸引力就是表面张力，它能使液面自动收缩。表面张力是由液体分子间很大的内聚力引起的，在太空与地面液滴产生表面张力的原理以及表面张力大小都是一样的。只是，在失重的状态下，表面张力表现更为明显。失重时，水珠之间没有了重力的挤压，液滴在表面张力的作用下，都形成了最完美的球形。特级教师骆兴高：液体跟气体接触的表面存在一个薄层，叫做表面层，表面层里的分子比液体内部稀疏，分子间的距离比液体内部大一些，分子间的相互作用表现为引力，导致表面就像一张绷紧的橡皮膜，这种促使液体表面收缩的绷紧的力，就是表面张力。微观表现为分子引力，宏观体现即液体表面的张力。当针尖戳入水球时，水的表面张力依然存在，故水球不被破坏。

老师学生将“天地对话”

为配合此次太空授课活动，中国载人航天工程网在今年5月24日至6月10日期间举办了“我问航天员”——太空授课大型问题征集活动，收集中小学生朋友对载人航天科技、航天飞行、空间科学及航天员太空工作、生活等领域的提问。

目前，已经征集到数千个相关问题。这些问题，除了部分由参与过飞行任务的航天员或航天专家在活动后期以访谈、文字或“微访谈”方式回答外，还将在此次太空授课中提交给神舟十号的三位航天员在太空予以解答。此外，还将挑选2-3名热心提问的中学生到太空授课的地面现场，与340公里之外的“太空老师”进行互动。

篇7：观《太空授课》有感

容州二小071班李青键

大家看过宇航员在太空飞船里向我们授课吗？今天晚上，我满怀期待地观看了《神十航天员太空授课》，这节课让我受益匪浅。

首先映入我的眼帘的是三位宇航员——王亚平、张晓光、聂海胜。他们正神采奕奕的介绍着自己。他们要向我们传授太空物理知识。第一个要向我们介绍的是在太空失重的环境下的单摆运动。只见航天员王亚平轻轻地捏着一个小黄球，球的另一边连着一个固定支架。“看看我松手后，小球会变得怎么样。”王亚平一边温柔地说着，一边准备松手。在地球上小球会摆动起来，可在太空失重的环境下小球会怎么样呢？我一边疑惑的想着，一边目不转睛的盯着屏幕。只见王亚平一松手，那小球便神奇的浮在了半空中。王亚平用手指轻轻的推了一下小球，那小球竟然做起了圆周运动。这实验让我眼前一亮：原来只要给处于失重状态下小球就会围绕固定架做圆周运动了。但在地面上，我们要给小球一个足够大的速度，才可以实现。这个实验真有趣啊！它让我又对浩瀚的太空增添了一份好奇。

最精彩的还是水球和水膜的实验。瞧，王亚平拿着一根金属圈，小心翼翼的放到水袋里，拿出来时，就形成了一个漂亮的水膜。在太空里，做一个如此大的水膜竟如此容易，这让我大吃一惊。接下来的事前更让我惊讶不已。只见王亚平轻轻的将一个小小的中国结放到薄薄的水膜上。我皱起眉头，心中充满疑问：这样做会不会把水膜弄破呀？可是，晶莹剔透的水膜却安然无恙，还容纳了那小小的中国结，这可多亏了水的表面张力和太空失重的作用呀！我对此赞叹不已。

更令我惊奇的还在后面。王亚平将手中的金属棒立起来后，慢慢的将水袋中的水注入水膜中，水膜便渐渐变厚，最终形成了一个美丽的晶莹剔透的“水晶球”。瞧，王亚平又把红色的液体注入了“水晶球”内，红色的液体在水球里慢慢的散开，最后晶莹的水球渐渐地变成了一个椭圆形的红色的“水晶球"。这真是个奇妙的景观啊！

篇8：科技界点评太空授课

中国科学院院士、国家基础科学研究专家顾问组副组长、国际科学联盟中国协调委员会副主席陈家洱:我国宇航员第一次把课堂从地上移到了太空, 这一件事引起了大家极大的兴趣。我知道在失重或微重力条件下会发生什么, 但也是第一次见到这样的演示。演示非常有意思, 非常吸引孩子们, 这将极大激发青少年探索科学规律的兴趣。

科学本身就是求知、求真, 而求知求真需要动力。很多大科学家都是从小对科学现象产生浓厚兴趣后, 才一生献身科学, 追求真理的。宇航员在太空演示的单摆实验等在地面实现不了的事情, 会让学生在头脑中产生很多“为什么”, 进而吸引他们去探究神奇的太空现象背后的本质。微观世界、宏观世界、宇观世界的运动规律是不同的, 那么学生透过这些, 就想要了解不同尺度的地球引力下物体相互作用的本质规律。相信肯定有许多老师也在听课, 这对提高教学质量非常有好处。这次实况转播非常有意义。

中国科协党组书记、书记处第一书记申维辰:首次太空授课, 是我国青少年航天科普事业创新发展的重要标志, 是大联合、大协作开展科普教育的重要成果, 也是我国科普教育活动覆盖面最大和参与公众最多的一次重大科普实践。

中国科协青少年科技中心主任李晓亮:2007年美国的太空授课只有20分钟, 覆盖人群数量更是比不上我们。将来, 当我们在外太空真正建立起自己的空间实验室和空间站后, 一定能够开展更多、更有趣的科学实验, 可以给孩子们上内容更丰富的科学课, 让孩子们感知科学, 激发他们探索未知世界的兴趣。

中科院生物物理研究所研究员王江云:将来, 除了物理实验, 在外太空失重状态下, 还可以让孩子们尝试更多的、感兴趣的科学实验, 化学的、生物的都可以。比如, 可以先让孩子们在地面培养一种豆芽, 然后让航天员带上天, 观察豆芽在外太空的生长状况和在地面有什么不同。此外, 科学实验发现, 部分人能感知磁场, 具有超强的方位感, 我们不妨设想, 将来挑选一位这样的航天员上天, 来和地面的孩子们分享他在无磁状态下的感受。我还有一个梦想, 以后的地面课堂, 能不能选在二、三线城市甚至农村的某个学校, 让更多的普通学子能直接和航天员对话。这样的示范效应是巨大的。

太空课程诞生记:中国科协青少年科技中心主任李晓亮从头至尾参与了太空授课活动的设计与推进, 他向记者讲述了这堂课的由来!!

篇9：太空授课的幕后英雄

把测控站搬到天上

在距地球数百千米外的太空中运行着成百上千个航天器，这些航天器犹如人们放入太空中的“风筝”，而控制这些航天器的“无形之手”，就是航天测控。一个国家无论在地面建了多少个测控站，造了多少艘海上测量船，都很难完全满足大型航天任务跟踪测控的需要。在太空中建立卫星观测与数据中继传输系统，是航天强国的必由之路。

中继卫星堪称航天测控的革命性成果。其主要功能是进行空天数据中继，相当于把地面测控站搬到距离地面36000千米的地球同步轨道，为卫星、飞船等航天器提供数据中继和测控服务。

作为在太空中运行的数据“中转站”，中继卫星与传统地基测控相比，具有“站得更高、看得更远”的优势。与通信卫星不同，中继卫星主要捕获跟踪在轨运行的高速动态目标，能使资源卫星、环境卫星等获取的数据实时下传，极大提升了各类卫星的使用效益。

中继卫星系统由位于地球同步轨道的中继卫星、地面系统和用户终端3部分组成。“中继”的概念，就是传递地面应用系统和用户终端之间的信号，类似于“用手机转发短信”。具体而言，中继卫星将地面系统发射的遥控指令等数据转发给用户终端，用户终端接收、解调遥控指令，并按照指令规定内容做出0向应，同时返向传输其自身数据，中继卫星接收到这些信号后，再反馈给地面系统。

中国的“天链”

2003年1月，我国第一代中继卫星系统工程正式立项，第一颗中继卫星被命名为“天链一号01星”。2008年4月25日，“天链一号01星”成功发射并顺利在轨运行，使我国成为继美国、俄罗斯、欧洲和日本之后世界上第五个拥有中继卫星的国家。在神舟七号任务中，“天链一号01星”得到成功试验验证，突破了高动态条件下的天基测控和数据中继技术，实现了我国航天测控由陆海基向天基的跨越。

2011年7月11日，“天链一号02星”发射成功并与“天链一号01星”组网运行。在天宫一号与神舟八号、神舟九号交会对接任务中，中继卫星系统作为我国陆海天基三位一体载人航天测控通信网的重要组成部分，发挥了举足轻重的作用，使航天测控覆盖率从18%提升到近70%。

2012年7月25日23时43分，我国第三颗中继卫星“天链一号03星”在西昌卫星发射中心成功发射升空，标志着中国中继卫星系统迈入全球组网运行阶段。“天链一号03星”与“天链一号01星”“天链一号02星”实现组网运行后，使我国航天测控覆盖率提升到近100%，基本消除航天器测控盲区。

载人航天更有看头

在“天链一号01星”发射前，远望号测量船队加上十余个地面站，才能为神舟飞船提供12%的测控覆盖率，而一颗中继卫星即可覆盖卫星或飞船50%的飞行弧段。如果把过去的载人航天天地通信比作“乡间小路”，那么中继卫星参加后的天地通信就是一条“双向高速公路”，可以更快更高效地完成信息传达。

中继卫星系统具有高码速率、高动态、高轨道覆盖率的优势，提升了飞船和天宫一号的测控覆盖率和数据传输能力，增强了空间交会对接任务实施的安全性和可靠性，为实施手控交会对接、开展空间科学实验等提供了稳妥高效的天基测控通信保障。

神舟六号任务中，聂海胜在太空能听到女儿为他唱《生日快乐歌》，却不能看到女儿可爱的笑脸。神舟七号任务中，翟志刚手举五星红旗向全国人民送来问候，却看不到战友关切的目光。而神舟九号任务中，航天员景海鹏、刘旺、刘洋不仅能够与地面进行双向视频通话，还能通过中继卫星发送和接收电子邮件，使天地之间沟通交流方式更加多样化。待到神舟十号任务，青少年们都可收看精彩的太空授课直播。

智能化管理卫星

24小时不间断管理3颗中继卫星，执行数十个天基测控和数据中继任务，自动化智能化是必然选择。为此，北京空间信息中继传输技术研究中心设计了卫星控制脚本及自动化调度模板，建立了稳定可靠的自动化运行模式，系统内上百套设备均实现了“有人值守、无人操作”。中心还开发研制出系统自动化运行监视软件和卫星故障自动诊断系统，有效缩短了异常状态的发现、判断和处置时间。

随着我国航天事业不断发展，大力发展中继卫星系统，实现航天测控通信天基与地基网络一体化是大势所趋。3颗中继卫星组网运行，为我国神舟飞船、空间实验室、空间站及中低轨道资源卫星提供全时段的数据中继和测控服务，无论经济效益还是使用效率都将发生质的飞跃。

此外，航天器在太空中出现故障，抢救时机往往以秒计算。随着中国发射卫星数量的增多，故障率不可避免，中继卫星投入应用后，将使航天器的故障及早发现、尽早解决。资源卫星、环境卫星等应用卫星获得的科学数据，要在卫星经过地面测控站上空时才能下传使用，如果突发重大自然灾害，就会失掉最佳的应对处置时机。中继卫星可使各类卫星实现数据的实时下传、及时应用，成为应用卫星的效能“倍增器”。

篇10：太空授课的作用

微重力环境:不一样的世界

众所周知，在太空飞行的载人航天器内与地面有天壤之别，最显著的特点是存在地面难以模拟的长期失重环境。在那里人人好像都会轻功，可以像游泳一样随意飘来飘去；航天员各个均能成为大力士，可毫不费力的举起任何东西；他们的睡觉也不分上下，可以站着睡，也能倒立睡，高兴时还可不固定睡袋，当一回“夜游神”；吃东西也能像小鸟一样，把食物放在空中后用嘴去接着吃„„当然，失重环境也给航天员搞个人卫生带来麻烦，如刮胡子、理发、上厕所等都不容易。

利用太空失重环境，还可以进行材料加工、生物学、失重科学、医学等太空科学实验，从而大大加深对这些学科的理解和研究。其中在失重科学实验方面，国外已进行了不少有关物理和化学等方面的太空实验。

在载人航天器内可实现“竹篮打水水不空”的梦想，这是水只受自身表面张力而不受重力影响在作怪。液体的表面张力是一种物理效应，它可使液体表面总是试图获得最小的光滑面积。在失重状态下，水和篮子接触时，水可以在篮子表面自由延展，另外，篮子可以起到表面张力附着点的作用而锁住水，所以水就可以留在有较大空隙的竹

篮中。

众所周知，水烧开时会出现沸腾现象，这是因为水在被加热时，底部的水先变成蒸汽，使容器底部产生小气泡，并被重力引起的对流带到容器上部，当容器中的水受热超过其饱和温度时，在水的内部和表面同时发生剧烈汽化的现象，整个水就沸腾了。但在太空失重状态下，由于没有对流和浮力，加热产生的气泡会一直附着在容器底部停留很长时间，最后形成一个大气泡，飘浮在水中。

在地面如果将加热的蜂蜜倒入盛着水的容器中，由于蜂蜜的密度大于水，所以会在重力的作用下很快沉淀到容器底部，但如果在载人航天器内进行相同的实验，由于没有重力的影响，所以可以看到蜂蜜不再往下沉，而是悬浮在水中。在失重环境中，水和油也能很容易的混合在一起，出现乳化现象，即由于表面活性剂的作用,使本来不能混合到一起的两种液体能够混到一起。

燃烧是一种常见现象，但其过程与重力有很大关系，可能是一般人没有想到的，常见的泪珠状火焰就是因为重力引起的对流产生的。蜡烛在地面燃烧时，由于加热后的周围气体密度低而上升、较冷的气体从下面补充进来形成的对流作用，将蜡烛的火焰拉长呈泪珠状，并且由于炭黑来不及充分燃烧就被带走，使火焰呈红黄色。在太空失重环境中，没有了对流现象，蜡烛不仅燃烧速度比地面慢得多，且其火焰呈球状，炭黑也能够充分燃烧，使火焰呈蓝色。

太空教育：连接公众与航天的桥梁

太空微重力世界是如此奇妙，为此，在载人航天器上开展太空教育具有重要意义，它可以使青少年及公众走近航天、了解航天，还能更好地理解科学规律。太空教育已成为载人航天的一项重要内容，是连接公众与载人航天事业的最好桥梁。

太空教育有多种形式，其中在太空授课是最典型的一种方式。此前，全球只有美国女航天员巴巴拉·摩根曾于2007年在“国际空间站”上对地面青少年进行过一次授课。摩根是美国首名太空女教师克丽斯塔·麦考利夫的替补，麦考利夫于1986年在乘挑战者号上天时因航天飞机爆炸而牺牲了。2007年摩根实现了麦考利夫未完成的遗愿，在太空利用失重环境向学生授课，产生了较大影响。在摩根的太空授课活动中，一个学生想了解航天员是如何在太空中锻炼身体的，摩根没有直接回答，而是将身旁两位身材魁梧的航天员举了起来，一手一个，并装出一副很吃力的样子。另一个学生想知道如何在太空喝水，摩根便从一个特制的饮水袋中挤出几个水珠，然后她和同事们用嘴接住四处飘动的水珠并吞下去。学生问摩根，航天员在太空中如何保持个人卫生，摩根马上往自己的脸上喷射肥皂水，演示她是怎么洗脸的。另一个航天员还演示了如何刷牙：漱口水需要吐到专用毛巾上，因为在太空微重力环境下，水不会往低处流。

我国原定由神舟9号航天员在太空为青少年授课，但后来因任务紧张而取消了。这次神舟10号航天员王亚平将在天宫1号内通过电视直播的形式进行我国第一次、世界第二次太空授课，向地面的中小学生展示失重条件下的特殊物理现象，了解液体表面张力的作用，从而加深对质量、重量以及牛顿定律等基本物理概念的理解。由此可见，美国女航天员摩根太空授课的内容是介绍和演示太空生活，而我国女

航天员王亚平太空授课的内容是介绍和演示物理概念，所以后者科技含量较高，但难度也较大。王亚平具体展示哪些特殊物理现象值得期待。

由于太空授课的次数和时间十分有限，而太空实验对青少年又有很好的启迪作用，所以各种太空实验除了可采用太空授课的方式进行演示外，目前还常采用视频传输的方式进行演示，即航天员在载人航天器内录制学生感兴趣的太空实验，然后在通信信道不忙时把教育演示视频用中继卫星传输到地面。目前，在“国际空间站”已录制了数以百计的教育演示视频，其中不少是演示物理定义和规律等。